分子生物学在医药中的研究进展及应用

分子生物学在医药中的研究进展及应用
——韩静静
摘要
分子生物学是对生物在分子层次上的研究。

这是一门生物学和化学之间跨学科的研究，其研究领域涵盖了遗传学、生物化学和生物物理学等学科。

分子生物学主要致力于对细胞中不同系统之间相互作用的理解，包括DNA，RNA和蛋白质生物合成之间的关系以及了解它们之间的相互作用是如何被调控的。

分子生物学主要研究遗传物质的复制、转录和翻译进程中的分子基础。

分子生物学的中心法则认为“DNA 制造 RNA，RNA 制造蛋白质，蛋白质反过来协助前两项流程，并协助 DNA 自我复制”。

分子生物技术也称之为生物工程，是现代生物技术的主要标志，它是以基因重组技术和细胞融合技术为基础，利用生物体或者生物组织、细胞及其组分的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品种．以便与工程原理相结台进行生产加工．为社会提供商品和服务的一个综合性技术体系，其内容包括基因工程技术、细胞工程技术、DNA测序技术、DNA芯片技术、酶工程技术等。

现代分子生物技术的诞生以70年代DNA重组技术和淋巴细胞杂交瘤技术的发明和应用为标志．迄今已走过了30多年的发展历程。

实践证明在解决人类面临的粮食、健康、环境和能源等重大问题方面开辟了无限广阔的前景。

受到了各国政府和企业界的广泛关注。

是21世纪高新技术产业的先导。

二十世纪生物医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。

DNA双螺旋结构的发现为分子医学和基因医学的发展奠定了基础。

人们逐渐认识到，无论健康或疾病状态都是生物分子及其相互作用的结果，生物分子中起关键性作用者为基因及其表达产物蛋白质，因此从本质上说，所有的疾病都可以被认为是“基因病”。

近十年来，分子生物技术已成为医学领域最有力的研究工具，以下从基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基因诊断与基因体外扩增技术、生物芯片技术在医学研究中为了解疾病的发生发展机制，诊断和药物研制、开发中的应用。

关键词：分子生物学分子生物技术医药基因芯片蛋白质组学
第一章文献综述 (3)
1.1 分子生物学发展史 (3)
1.2 分子生物学与现代医学 (4)
1.2.2 分于生物纳米技术在基因诊断中的应用 (5)
1.2.3 分子纳米技术在基因疗法中的应用 (5)
1.2.4 分子生物芯片技术在医学检验中的应用 (5)
1.3 药学分子生物学 (5)
1.4 分子生物学在中药的研究 (6)
1.4.1 中药研究与基因组学 (6)
1.4.2 DNA分子标记技术与中药新药研发 (6)
1.5 分子生物学在生药学中的研究 (7)
1.5.1 药用动植物遗传多样性的分子检测与分子系统学研究 (7)
1.5.2 代谢途径基因工程与中药材品质定向调控 (7)
1.5.3 生药分子药理学形成与发展 (7)
1.5.4 分子生物学技术的发展与分子生药学方法的创新 (7)
第二章分子生物学在医药中的应用 (8)
2.1 分子生物学在医学中的应用 (8)
2.1.1 基因工程技术在医学中的应用 (8)
2.1.2 基因芯片技术 (8)
2.1.3 分子生物学在检验医学中的应用 (9)
2.1.4 分子生物学技术在病理诊断及研究中的应用 (9)
2.1.5 蛋白质芯片在病理中的应用 (10)
2.2分子生物学在药学中的应用 (10)
2.2.1 基因芯片用于药物筛选 (10)
2.2.2 生物工程与生物制药 (10)
2.2.3蛋白质组学在药学研究中的应用 (11)
第三章应用前景 (12)
参考文献 (13)
第一章文献综述
1.1 分子生物学发展史
第二次世界大战之后25年，这个时期虽然可以用自然科学的许多领域的迅猛发展加以表征，但是发生了最深远的和革命性的进展的是生物学领域。

这些年里,分子研究和生物化学研究的成熟和一体化,达到了连本世纪头几十年里最空谈理论的机械论者都可能期望的深度和广度。

像胚胎学、遗传学或进化论那样的以前在组织、细胞或群体水平上作了研究的领域,逐步地表明在特定的大分子的分子结构方面具有共同的基础。

对于诸如蛋白质和稍后的核酸分子的结构和功能的研究,展示了探究生命系统微观结构的新前景,并且显示了生物学广阔的领域之间的新联系,而生物学各个领域之间的共同基础,以前只是模糊地被人们推测过。

当本世纪四十年代至五十年代人们弄清了核酸是主要的遗传物质以及核酸通过指导蛋白质的合成而发生作用的时候,有关遗传的研究再次成为二十世纪生物学中的一个革命性的和占有主导地位的领域。

摩尔根学派的工作已表明基因可以看作是有形的染色体的片段,但他们没有试图研究基因的分子性质或任何有关基因的生化功能。

这个问题是确实存在的,但探讨它却是不成熟的和难以弄清的。

因此,当适合于探讨细胞内特定分子的相互作用的研究工具和技术变得有效时,遗传学在二十世纪再次呈现出令人鼓舞的景象是不足为奇的。

现在的“分子生物学”不仅包括结构和功能的要素,而且包括信息的要素。

它关往生物学上的重要分子,比如蛋白质或核酸的结构,从这些分子如何在细胞的新陈代谢中起作用以及它们如何携带特定的生物信息的方面关注这些分子的结构问题。

物理学和结构化学的方法比如结晶分子的X 射线衍射,分子模型的建立,已经应用于分子结构的研究,同时生物化学也应用于确定细胞内部大分子如何彼此相互作用、大分子如何与小分子相互作用的问题。

在历史上,有三方面思路通向我们今天所知道的分子生物学的形成:1.结构方面与生物分子的结构有关,2. 生物化学方面:与生物分子如何在细胞新陈代谢和遗传过程中相互作用的问题有关,3.信息方面:与信息如何从一代有机体传递到下一代并且信息如何转译为独特的生物分[1]子的问题有关。

生物学
生物化学
遗传学
细胞生物学相互渗透
生物物理学进入细胞水平
微生物学相互促进
有机化学
物理化学 20世纪中叶生物学引入生物大分子
分子生物学
图一分子生物学的发展过程
在19世纪和20世纪随着各个学科的发展，特别是生物化学、遗传学、细胞生物学、生物物理学、微生物学、有机化学、物理化学的发展，各个学科互相渗透，互相促进荷香交融，而生物学的发展随着这些学科在生物学中的应用已经从物种、个体等层次上发展到细胞水平上，到了二十世纪中叶，随着检测仪器的快速发展，大分子如核酸、蛋白质等物质的鉴定，使得生物大分子引入到生物学中，随后发展成分子生物学，如图一。

二十一世纪是生物学的世纪，同时生物学中的核心是分子生物学，在现在分子生物学对整个社会及人类产生了重要的影响，分子生物学的核心就是通过生物的物质基础—核酸、蛋白质、酶等生物大分子的机构、功能及其互相作用等运动规律的研究来阐明生物分子基础，从而探讨生命的奥
秘，随着现代技术的发展，特别是物理、化学、仪器分析的发展使得分子生物学的发展在分子水平上取得了巨大的进步，人类可以通过研究核酸、蛋白质来阐述人类自身发展的困难及在医学中可以解释很多疑难杂症。

分子生物学的发展更加借助了现代社会十分关键的工具计算机，化学信息学通过计算机模拟确定蛋白质的结构，从而使研究者更加生动形象的了解蛋白质的内部结构。

随着分子生物学的快速发展，它已经与其他学科结合，如生理学、微生物学、免疫学、病理学、药理学、临床医学等，尤其在医学中的应用，成为现代医学的重要基础，而且发展了很多分支学科，例如分子细胞学、分子病毒学、分子诊断学、分子治疗学、分子病理学、分子药理学、生物制药等。

本论文将重点研究分子生物学在医学及药学中的应用及研究进展。

1.2 分子生物学与现代医学
分子生物学是当前生命科学中发展最快的前沿领域，即是生命科学的领先学科，而且是与其他学科广泛交叉于渗透的重要前沿领域使得现代生命科学的内涵和外延在不断扩大。

二十一世纪医学发展的主要特点之一是对生命现象和疾病本质的认识逐渐向分子水平深入。

随着基因克隆技术趋向成熟和基因涌序工作逐步完善，后基因时代逐步到来。

人们逐渐认识到无论健康或疾病状态都是生物分子的相互作用的结果，生物分子起关键性作用。

最近十年，分子生物技术已成为医学领域极其有力的研究工具．基因工程技术、人类基因组计划与核酸序列测定技术、基目诊断与基因体外扩增技术、生物芯片拄术、分子纳米技术在医学研究中．如了解疾病的发生发展机制、疾病诊断和药物研制与开发中得到广泛应用。

同时，在结构基因组学、功能基因组学和环境基因组学逢勃发展的形势下。

分子生物医学技术将会取得突破性进展．也给医学带来了崭新的局面，为医学事业的发展提供新的机遇。

分子生物技术已经成为现代医学的前沿和热点。

分子生物学在现代医学中有很大的应用，分子生物学在发病机制和药学研究中的作用、分子生物学在疾病诊断中的作用、分子生物学在疾病治疗中的作用、分子生物学在医药工业中的作用等这是现在科学家研究的热点。

下面简要介绍几种分子生物学在医学中的应用。

1．2.1 分子生物传感器在医学中的应用
分子生物传感器是利用一定的生物或化学固定技术．将生物识别元件(如酶、抗体、抗原、蛋白、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织)固定在换能器上．当待测物与生物识别元件发生特异性反应后，通过换能器将所产生的反应结果转变为可以输出、检测的电信号和光信号等，以此对待测物质进行定性和定量分析，从而达到检测分析的目的。

分子生物传感器可以广泛地应用于对体藏中的散量蛋白、小分子有机物、核酸等多种物质的检测。

在现代医学检验中．这些项目是临床诊断和病情分折的重要依据。

能够在体肉实时监控的生物传感器对于手术中或重症监护的病人都程有帮助。

．
1.2.2 分于生物纳米技术在基因诊断中的应用
基因诊断是利用分子杂交及荧光技术检测DNA片段，已经为基因诊断在临床上的应用带来了巨大的发展前景。

研究表明，利用纳米技术．如利用金纳米微粒结合杂交DNA片段，很容易进人机体细胞核，并与核内染色体组台．具有较高的特异性，可以克服目前基因诊断所面临的一些困难和问题。

进一步提高了基因诊断在实验室中的地位。

科学家通过超顺磁性氧化铁纳米粒脂质体对肝癌的研究，提高了直径3nm以下的肿瘤检测率。

结论表明，纳米微粒对肿瘤早期发现、早期诊断具有重要意义。

1.2.3分子纳米技术在基因疗法中的应用
基因治疗是临床治疗学上的重大发展．其基本原理是：质粒DNA进入目的细胞后，可以修复遗传错误，或可产生治疗因子，如多肽、蛋白质、抗原等，纳米技术能使DNA通过主动靶向作用定位于细胞。

将质粒DNA缩小到50—200nm，带上负电荷进入到细胞核，插入到细胞核DNA的确切部位，起到对症治疗效果。

同时分子纳米技术能够快速有救地确定基因序列、基因和药物的体内走
向、传进和定位传递．使临床诊断和治疗过程效率得以提高。

同时无机纳米颗粒体积小，可在血管中随血液循环，通过血管璧进入各个脏器的细施中，作为新型非病毒型基因载体能有效介导DNA的转导．并使其在细胞内高水平的表达，从而为基因表达，功能研究及基因治疗提供了新的技术和手段。

1.2.4 分子生物芯片技术在医学检验中的应用
随着分子生物学的发展及人们对疾病过程的认识加铎．传统的医学检验技术已不能完全适应微量、快速、准确、全面的要求。

所谓的生物芯片是指将大量探针分子固定于支持物上(通常支持物上的一个点代表一种分子探针)．并与标记的样品杂交或反应，通过自动化仪器检测杂交或反应信号的强度而判断样品中靶分子的数量。

在检测病原苗方面．由于大部分细菌、病毒的基因组测序已完成，将许多代表每种微生物的特殊基因制成1张芯片．通过反转录可检测标本中的有无病原体基因的表达及表达的情况．以判断病人感染病原及感染的进程、宿主的反应。

由于P53抑癌基因在多数肿瘤中均发生突变．因此其实是重要的肿瘤诊断[2]靶基因。

1.3 药学分子生物学
分子生物学与药学的应用主要是药物基因组学、药物蛋白质组学与现代药物的结合，药物基因组学是主要以阐明药物代谢、药物转运和药物靶分子的基因多态性与药物作用包括疗效和毒副作用之间关系的一门科学，是一门新兴的研究领域。

通过研究基因多样性，可以指导药物设计、开发新药及合理用药。

药物蛋白质组学是基因、蛋白质、疾病三者项链的桥梁科学，主要的研究比药物基因组学更复杂。

分子生物学的新理论和新技术
渗入
药学
药学研究领域
化学
诞生
药学、化学
药学分子生物学
生命科学
图二药学与分子生物学的关系
在过去几十年，药物得到全面发展，现在市场上大部分药物都是化学药物，药物的合成都是通过化学制药，通过有机化学和药物化学合成出目标产物，通过筛选，选出具有药物活性的，但是药物通过化学合成得到，所以会有毒副作用，现在通过引进分子生物学应用到药学中，得到新的研究方向即是药学分子生物学，药学分子生物学与化学、药学、生命科学三部分，使得现在生物合成药物得到快速发展，如图二。

1.4 分子生物学在中药的研究
1.4.1 中药研究与基因组学
人类基因组学研究方法内容与中医学的整体观、辨证观有很多相似之处。

如基因组学研究是在过去对单个基因研究的基础上认识到基因之间相互联系的复杂性，即一种疾病可能由多个基因的改变所致，而同一个基因的不同表达状态又可能造成多种疾病。

尤其是从结构研究向功能研究方式的转变，对基因之间相互联系相互作用的日趋重视，反映出中医药学与基因组学在思维方法上的趋近特征，亦反映了分子生物学在中医药领域应用的依据和前景。

近来中医药基因组学已成为一个非常热门的话题，有关部门在研讨是否将中医证候基因组学、中药药效）基因组学等列入重点或重大研究课题。

试图仿照人类基因组的研究模式，研究并构建中医的某一个“证”或某一个中药或方剂对人类基因组的影响和改变的全息图或对应关系。

利于发现新颖和高效药物，亦可用于药物疗效的客观评价。

1.4.2 DNA分子标记技术与中药新药研发
DNA分子标记技术，亦称DNA分子诊断技术，是指通过直接分析遗传物质的多态性来诊断生物内在基因排布规律及其外在性状表现规律的技术。

DNA分子标记技术大致可分为两大类：一类是以电泳技术和杂交技术为核心的分子标记技术，如DNA指纹技术。

另一类是DNA扩增技术和电泳技术为核心的分子诊断技术。

在进行新药开发和中药资料研究中常需了解中
药有效成分的分布规律，以便寻找和开发新药源。

DNA分子标记技术可以像DNA分子标记辅助性状选择一样，以指导药用有效成分方便、快速、正确地寻找与开发利用。

利用分子标记技术，寻找与药用有效成分连锁的基因或直接应用控制该成分的基因标记，寻求新资源。

1.5 分子生物学在生药学中的研究
1.5.1 药用动植物遗传多样性的分子检测与分子系统学研究
遗传多样性是研究系统与进化及分类与鉴定的最根本的物质基础。

然而，对于绝大多数［3］药用动植物来说，其遗传背景研究几乎是一个空白。

利用DNA分子遗传标记和基因组序列分析技术，从居群、分子乃至基因水平上，准确刻划药用动植物遗传背景差异和亲缘关系，进而构建基于叶绿体基因组基因和（或）核基因组基因序列分析的重要药用动植物系统发育树，将是分子生药学基础研究的重心。

1.5.2 代谢途径基因工程与中药材品质定向调控
次生代谢产物合成途径的基础研究将越来越受到重视，特别是调控次生代谢产物的关键酶及其基因与抗病基因的定位、分离和克隆表达将尤为引人注目，并将成为分子生药学研究［4］中最富挑战和前景的方向之一。

关键酶的确定和分离，不仅为利用生物技术手段操纵代谢途径及中药材品质定向调控提供科学依据，而且，更为生药生源学研究打下坚实基础。

1.5.3 生药分子药理学形成与发展
近年来，中药药理方法学研究进展颇快。

随着分子生物学与中药药理学的发展，生药分子药理学已现端倪。

在分子和基因水平上，研究中药有效成分或部位的作用机理、阐明中药药性理论及其可能的物质，建立分子水平上的中药活性检测系统，或以受体和基因为靶点寻找新药甚至开展基因治疗，将成为分子药理学的重要课题。

而分子生物学技术特别是分子遗传学和基因克隆技术，正是研究这一重要课题的关键性手段。

受体和基因的结构与功能及其在药物作用下的变化，中药作用的受体机理与受体的药理学特性表达，中药对基因表达调控与基因水平上的药物筛选，药物代谢酶及其基因的分离确定与中药诱发的基因结构异常分析等，将成为生药分子药理学研究中既富挑战又有前景的新领域
1.5.4 分子生物学技术的发展与分子生药学方法的创新
包括分子遗传标记在内的分子生物学技术在生药学研究中方兴未艾，但目前应用研究主要表现在生药鉴定方面，在生药学研究深度和广度方面尚存在很大的局限性。

此外，目前常用于生药鉴定的DNA分子遗传标记技术有RFLP,RAPD,AP-PCR，AFLP等。

但与已出现的几十种分子遗传标记技术相比，只是其中的一小部分。

随着分子生物学的发展，一方面越来越多的分子生物学技术将渗透应用在生药学研究中，另一方面新的分子生物学技术将不断问世。

第二章分子生物学在医药中的应用
2.1 分子生物学在医学中的应用
2.1.1 基因工程技术在医学中的应用
二十世纪七十年代初，由于基因重组技术得到发展，基因工程逐步发展成一套成熟的技术。

将需要表达的产物的目的基因，经分离、扩增、拼接人一定的载体，然后植入表达用的菌体(大肠杆菌、酵母菌或真核细胞)，通过生物复制表达出所需的产物，经分离纯化，制成产品。

这一过程从研究到工业化已逐步实现规范化，并与制药工业结合起来，形成规模化生产。

通过分离细胞mRNA逆转并扩增（RT-PCR）目的基因，经纯化后用基因重组技术拼接入载体，转录载体菌，构建工程菌。

用生物复制方法培育工程菌，从工程菌分泌液或包含体中分离表达产物，经过变性和复性，取得表达产物的电泳图谱或少量纯品。

经分析鉴定证明表达产物是正确的。

扩大至中试规模，确定各步工艺的条件至取得一定量的产品，进行审批所需的各项检测及质控，并进行必要的生物验证。

扩大至满足市场需要的生产规律，取得规律生产的效益。

2.1.2 基因芯片技术
基因芯片(genechip)又称DNA芯片、DNA微阵列，是将许多预先设计好的寡核苷酸或基因(cDNA)片段作为探针，有序地、高密度地(点与点之间的距离一般小于500km)排列在玻璃、硅片或尼龙膜等载体上，制成DNA微阵列(DNAmicroarmy)，将待测样品DNA／RNA通过PCR／RT—PCR扩增、体外转录等技术掺入荧光标记分子后，与位于芯片上的探针杂交，再通过激光共聚焦荧光扫描系统检测探针分子杂交信号强度，并配以计算机对荧光信号进行综合分析后，即可获得样品中大量基因序列及表达的信息，由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。

基因芯片种类较多，根据微阵列上探针的不同，可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片两类。

寡核苷酸芯片是将寡核苷酸原位合成或合成后固定在芯片上，曝露于标记样本DNA杂交，根据杂交信号出现部位的寡核苷酸序列推测与其互补的DNA序列。

可用于基因发现、突变检测、表达监控和遗传制图等。

cDNA芯片是将cDNA固定在芯片上并曝露于一组标记探针，可用于大尺度筛选和基因表达的研究。

按照用途可分表达谱芯片、诊断芯片、指纹图谱芯片、测序芯片、毒理芯片等。

基因芯片的制备方法也可基本分为两类：一类是原位合成；一类是直接点样。

原位合成是指直接在芯片上用四种核苷酸合成所需的探针；而直接点样是指将已经合成好的探针定位在芯片上，待分析基因在与芯片结合探针杂交之前必须进行分离、扩增及标记。

基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应及信号检测和结果分析。

根据样品来源、基因含量及检测方法和分析目的的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法也各异。

为了获得基因的杂交信号必须对目的基因进行标记，目前采用的最普遍的是荧光标记方法。

通过计算机用计算机控制的高分辨率荧光扫描仪可获得结合于芯片上目的基因的荧光信号，
处理即可给出目的基因的结构或表达信息。

杂交条件的选择与研究目的有关；多态性分析或基因测序时，每个核苷酸或突变位点都必须检测出来；如果芯片仅用检测基因表达，只需设计出针对。